2.3 Принцип действия модуля управления климатом в промышленной автоматике

Конструктивно модуль управления климатом в промышленной автоматике состоит из пластмассового корпуса с размещёнными внутри него платами, а также датчиков измерения температуры и относительной влажности.

Датчики отвечают за сбор данных о текущем значении температуры и относительной влажности в помещении. Сбор данных занимает от 6 до 10 секунд. Данные собранные датчиками передаются по проводному соединению на модуль управления, после этого датчики отключаются. После сверки полученных данных модулем управления и при их отклонении от заданных, подается сигнал через беспроводной интерфейс стандарта Bluethooth4.0LowEnergyна включение и работу кондиционера в нужном режиме. После этого модуль управления переходит в режим пониженного энергопотребления.

Возможна настройка и диагностика модуля с помощью USB шины или черезбеспроводной интерфейс стандарта Bluethooth 4.0 Low Energy.

2.4 Разработка схемы электрической структурной

На блок управления возложены функции контроля за температурой и относительной влажностью в помещении.

Блок FTDIотвечает за передачу данных между ПК и блоком управления, а так же за питание всего устройства. Блок является переходником между интерфейсомRS-232 иUSBшиной.

Блок беспроводного интерфейса стандарта Bluethooth4.0LowEnergyпредназначен для беспроводной передачи данных между модулем и ПК либо модулем и кондиционером.

ЖК-дисплей (TFT1.8) предназначен для вывода текущих значений температуры и относительной влажности.

Датчики представляют собой устройства, крепящиеся к потолку и подключенные к модулю с помощью шины I²C. Датчики осуществляют сбор значений температуры и относительной влажности в помещении. Корпус имеет прямоугольную форму. Материал корпуса – пластик.

Клавиатура представлена в виде двух кнопок. Кнопка Инфо предназначена для вывода информации на дисплей. Кнопка Reset(Сброс) предназначена для сброса всех настроек до заводских.

Персональный компьютер предназначен для питания, а также настройки и диагностики устройства.

3 Выбор и обоснование элементной базы и материалов конструкции модуля управления

3.1 Выбор элементной базы модуля

Выбор элементной базы является основным пунктом в процессе практической реализации проектируемого изделия. Это важно, так как от выбора элементной базы зависят габаритные размеры, надёжность изделия, потребление энергии прибором, его стоимость, а также его приспособленность к климатическим условиям.

Критерием выбора элементной базы электро-радиоэлементов в любом радиоэлектронном устройстве является соответствие технологических и эксплуатационных характеристик ЭРЭ заданным условиям работы и условиям эксплуатации.

Исходя из технических требований, было принято решение о использовании в качестве процессорного модуля микроконтроллера MSP430FR5723 фирмыTexasInstrumentsс ультра-низким энергопотреблением. Микроконтроллер состоит из нескольких устройств, таких как встроенная энергонезависимая памятьFRAM, 16-битныйMSP430 ™ процессор с ультра-низким энергопотреблением и различные периферийные устройства, предназначенные для различных приложений. Процессор,FRAM, и периферийные устройства, объединены в семь маломощных режимов, которые направленны на продление срока службы батареи в портативных и беспроводных устройствах.FRAM-память является новой энергонезависимой памятью, которая сочетает в себе скорость, гибкость и выносливостьSRAM-памяти со стабильностью и надежностьюFLASH-памяти. Периферия включает в себя 10-битный АЦП, 16-канальный компаратор с опорным напряжением поколения и возможности гистерезиса, три усовершенствованные канала, способные работать какI2C,SPI,UARTили как протоколы, внутреннийDMA, аппаратный умножитель,RTC, пять 16-разрядных таймеров и цифровые входы / выходы. Основные параметры микроконтроллераMSP430FR5723 представлены в Таблице 3.1 – Основные технические характеристики микроконтроллераMSP430FR5723 фирмыTexasInstruments.

Таблица 3.1 – Основные технические характеристики микроконтроллера MSP430FR5723 фирмыTexasInstruments

Параметры	Номиналы
Архитектура	16-разрядныйRISC
Диапазон напряжений питания	от 2В до 3,6В
FRAM	До 16Кб
Рабочая температура	От -40°С до +85°С
Ток питания в активном режиме	81,4мкА
Ток питания в режиме ожидания	6,3мкА
Корпус	TQFP или DIP
АЦП	14-канальный 10-разрядный
Габаритные размеры	12,6х8,3х1,2мм
UART	2
I2C/SPI	1

Микроконтроллер CC2540 фирмы Texas Instruments является экономически эффективным из-за низкого энергопотребления. В данном проекте микроконтроллер используется в чипе для периферийных устройств Bluethooth 4.0 Low Energy(Bluethooth с низким энергопотреблением). Каждый микроконтроллер CC2540 содержит уникальный 48-битный IEEE-адрес. Основные параметры микроконтроллера представлены в Таблице 3.2 – Основные технические характеристики микроконтроллера CC2540 фирмы Texas Instruments.

Таблица 3.2 – Основные технические характеристики микроконтроллера CC2540 фирмы Texas Instruments

Продолжение таблицы 3.2
Параметры	Номиналы
Архитектура	RISC
FLASH-память	128Кб
Память RAM	8Кб
АЦП	12-разрядный с 8 каналами
Таймеры общего назначения	один 16-бит второй 8-бит
DMA	5 канальный
Рабочее напряжение	от 2В до 3,6В
Габаритные размеры	6,15х6,15х1мм
Корпус	QFN40илиSOIC

HDC1000 является цифровым датчиком влажности с интегрированным датчиком температуры, который обеспечивает высокую точность измерения при очень низкой мощности. Цифровом датчик влажности устроен на основе нового емкостного датчика. Датчики влажности и температуры откалиброваны. Инновационная WLCSP упрощает дизайн платы и позволила использовать ультра-компактный корпус. Чувствительный элемент HDC1000 находится на нижней части устройства, что делает датчик более устойчивым к грязи, пыли и другим загрязнениям окружающей среды. HDC1000 используется в мобильных устройствах, медицинских приборах, принтерах и других устройствах. Основные параметры цифрового датчика представлены в Таблице 3.3 – Технические характеристики цифрового датчика HDC1000 фирмы Texas Instruments.

Таблица 3.3 – Технические характеристики цифрового датчика HDC1000 фирмы TexasInstruments

Параметры	Номиналы
Предел измерения температур	От -20°Сдо 85°С
Точность измерения относительной влажности	±3%
Точность измерения температуры	±0,2°С
Рабочее напряжение	от 3В до 5В
Ток питания в спящем режиме	200нА
Средний ток питания при измерении температуры и влажности	От 820нА до 1,2мкА
Интерфейс	I2C
Габаритные размеры	1,62х2,07х0,675мм
Корпус	DSBGA (8-bump)

Таблица 3.4 – Технические характеристики микросхемы FT232R

Параметры	Номиналы
Корпус	SSOP28 и QFN32
Габаритные размеры	7,62х5мм
Встроенная энергонезависимая память EEPROM	1024байт
Рабочая температура	От -40°С до +85°С
Рабочее напряжение	От 3,3В до 5В
Встроенные пассивные элементы	На шине USB,RC-фильтр по питанию

При составлении электрической принципиальной схемы были выбраны чип резисторы 0805, параметры которых приведены в Таблице 3.5 – Технические характеристики чип резисторов 0201.

Таблица 3.5 – Технические характеристики чип резисторов 0201

Параметры	Номиналы
Диапазон номинальных значений	10кОм – 56кОм
Допустимое отклонение от номинала	1%(А); 5% (О)
Номинальная мощность	0,05Вт
Рабочее напряжение	12В
Максимально допустимое напряжение	20В
Рабочий диапазон температур	От -55°С до +125°С
Габаритные размеры	0,6х0,3мм

При составлении электрической принципиальной схемы были выбраны конденсаторы 0805, параметры которых приведены в Таблице 3.6 – Технические характеристики конденсаторов 0805.

Таблица 3.6 – Технические характеристики конденсаторов 0805

Параметры	Номиналы
Диапазон ёмкостей	20пФ – 1мкФ
Допустимое отклонение от номинала	±10%
Рабочее напряжение	10В
Тип монтажа	SMD
Рабочая температура	От -55 до +125°С
Габаритные размеры	2,0х1,25мм

При составлении электрической принципиальной схемы были выбраны катушки индуктивности, параметры которых приведены в Таблице 3.7 – Технические характеристики катушек индуктивности.

Таблица 3.7 – Технические характеристики катушек индуктивности

Параметры	Номиналы
Диапазон номинальных значений	1 – 3 нГн
Рабочая температура	От 0 до 125°С
Мощность	200мВт
Ток коллектора	100мА
Тип	PNP
Корпус	SOT23-3
Тип монтажа	SMD

При составлении электрической принципиальной схемы были выбраны кнопки, параметры которых приведены в Таблице 3.8 – Технические характеристики кнопок.

Таблица 3.8 – Технические характеристики кнопок

Параметры	Номиналы
Габаритные размеры	6х4мм
Диапазон частот	87-108МГц
Номинальный ток	100мА
Номинальное рабочее напряжение	3В
Степень защиты	IP54

При составлении электрической принципиальной схемы были выбраны кварцевые резонаторы, параметры которых приведены в Таблице 3.9 – Технические характеристики кварцевых резонаторов.

Таблица 3.9 – Технические характеристики кварцевых резонаторов

Параметры	Номиналы
Рабочая температура	От -10 до +60°С
Динамическое сопротивление	25кОм
Габаритные размеры	10х4мм
Динамическая индуктивность	256-300кГн